JP6521635B2 - マルチレベル／マルチ閾値／マルチ持続性のｇｐｓ／ｇｎｓｓ原子時計モニタリング - Google Patents

Description

本開示は、概して、全地球測位システム（ＧＰＳ）及び全地球的航法衛星システム（ＧＮＳＳ）に関し、かつより具体的には、マルチレベル、マルチ閾値、及びマルチ持続性の解析を使用するＧＰＳ／ＧＮＳＳ原子時計モニタリングに関する。

米国の全地球測位システム（ＧＰＳ）は、ＧＰＳ／ＧＮＳＳ受信機又は航法装置に対して航法及び測位シグナルを提供するために、地球の軌道を周回する宇宙船（例えば、衛星）の一群を含む、ＧＮＳＳシステムの１つのタイプである。ＧＰＳ／ＧＮＳＳ信号を受信しかつ使用することができる、何百万というＧＰＳ／ＧＮＳＳ受信機及び航法装置が、一般社会及び政府機関によって使用されている。

ＧＰＳ／ＧＮＳＳ受信機は、ＧＰＳ／ＧＮＳＳ宇宙船によって送られる信号の正確なタイミングによって、その位置を計算する。各々の宇宙船は、（１）メッセージが送信された時間、及び（２）メッセージの送信の時間における宇宙船の位置を含む、航法メッセージを継続的に送信する。受信機は、最低限４つのＧＰＳ／ＧＮＳＳ宇宙船から受信した航法メッセージを解析する。受信機は、光の速度を使用して、各々の航法メッセージの輸送時間を決定し、かつ各々の宇宙船までのそれぞれの距離を計算する。受信機から各々の宇宙船までの距離、及び各々の宇宙船それぞれの位置を知ることによって、受信機は、３つの絶対空間座標及び１つの絶対時間座標の中でのその位置を決定する。

正確なタイミングは、ＧＰＳ／ＧＮＳＳシステムの中の高精度の追跡及び航法にとって決定的である。そのようにして、ＧＰＳ／ＧＮＳＳ宇宙船は、タイミングのために、ルビジウム原子時計などの高精度の原子周波数標準（ＡＦＳ）を利用する。ＡＦＳは、検出されないままである場合、ＧＰＳ／ＧＮＳＳ航法及び追跡における重大なエラーを導入する可能性がある、様々な時計異常を披歴し得る。

本明細書の中において開示される例示的な方法は、原子周波数標準（ＡＦＳ）とモニタリング装置との間の差異を確立することを含む。方法はまた、ＡＦＳとモニタリング装置との間の推定された差異モデルをモデル化すること、及び測定された差異及び推定された差異モデルに基づいて残留信号を計算することを含む。加えて、方法は、第１の検出器によって、複数の閾値における残留信号を解析することを含み、閾値の各々は、位相跳躍、レート跳躍、又は加速度エラーのうちの１以上が表示される前に閾値が超えられた回数を確定する、対応する持続性を有する。さらに、方法は、第２の検出器によって、複数の閾値における推定された差異モデルのパラメータを解析することを含み、閾値の各々は、ドリフトが表示される前にドリフト閾値が超えられた回数を確定する、対応する持続性を有する。

本明細書の中において開示される例示的な装置は、計測器、推定器、解析機、第１の検出器、及び第２の検出器を含む。計測器は、原子周波数標準（ＡＦＳ）とモニタリング装置との間の差異を測定するためのものである。推定器は、ＡＦＳとモニタリング装置との間の推定された差異をモデル化するためのものである。解析機は、測定された差異及び推定された差異に基づいて、残留信号を計算するためのものである。第１の検出器は、複数の閾値における残留信号を解析するためのものであり、閾値の各々は、位相跳躍、レート跳躍、又は加速度エラーのうちの１以上が表示される前に閾値が超えられた回数を確定する、対応する持続性を有する。第２の検出器は、複数の閾値における推定された差異のパラメータを解析するためのものであり、閾値の各々は、ドリフトが表示される前にドリフト閾値が超えられた回数を確定する、対応する持続性を有する。

別の例示的な方法は、原子周波数標準（ＡＦＳ）とモニタリング装置との間の測定された差異を確立すること、及びＡＦＳとモニタリング装置との間の推定された差異モデルをモデル化することを含む。例示的な方法はまた、推定された差異モデルのパラメータが、ドリフトが表示される前にドリフト閾値が超えられた回数を確定する、対応する持続性における閾値を超える場合、検出器によって、ドリフトを検出することを含む。

本発明は、原子周波数標準（ＡＦＳ）とモニタリング装置との間の測定された差異を確立すること；ＡＦＳとモニタリング装置との間の推定された差異モデルをモデル化すること；測定された差異及び推定された差異モデルに基づいて、残留信号を計算すること；第１の検出器によって、複数の閾値における残留信号を解析することを含み、閾値の各々は、位相跳躍、レート跳躍、又は加速度エラーのうちの１以上が表示される前に閾値が超えられた回数を確定する、対応する持続を有し；及び、第２の検出器によって、複数の閾値における推定された差異モデルのパラメータを解析することを含み、閾値の各々は、ドリフトが表示される前にドリフト閾値が超えられた回数を確定する、対応する持続性を有する、方法を含むことができる。方法はまた、ボーティングアーキテクチャ（ｖｏｔｉｎｇ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ）によって、性能を改良するために跳躍のソース又はドリフトのソースを決定することを含む。パラメータは、効率を改良するためのレートバイアス（ｒａｔｅ ｂｉａｓ）であり得る。モニタリング装置は、独立した時計であり得る。独立した時計は、電圧制御された発振器又は数値制御された発振器であり得る。独立した時計は、水晶発振器及び電圧制御された発振器又は数値制御された発振器であり得る。独立した時計は、水晶発振器であり得る。モニタリング装置は、ＡＦＳの遅延時計信号であり得る。遅延時計信号は、発振器ベースの遅延メカニズムを使用して生成される。生成された遅延時計信号は、効率を改良するために遅延線を使用し得る。

本発明は、原子周波数標準（ＡＦＳ）とモニタリング装置との間の差異を測定する計測器；ＡＦＳとモニタリング装置との間の推定された差異をモデル化する推定器；測定された差異及び推定された差異に基づいて残留信号を計算する解析機；複数の閾値における残留信号を解析する第１の検出器を含み、閾値の各々は位相跳躍、レート跳躍、又は加速度エラーのうちの１以上が表示される前に閾値が超えられた回数を確定する、対応する持続性を有し；かつ複数の閾値における推定された差異のパラメータを解析する第２の検出器を含み、閾値の各々はドリフトが表示される前にドリフト閾値が超えられた回数を確定する、対応する持続性を有する、装置を含むことができる。装置はまた、跳躍のソース又はドリフトのソースを決定するための、ボーティングアーキテクチャを含み得る。パラメータは、レートバイアスであり得る。モニタリング装置は、独立した時計であり得る。モニタリング装置は、ＡＦＳの遅延時計信号であり得る。

本発明は、原子周波数標準（ＡＦＳ）とモニタリング装置との間の測定された差異を確立すること；ＡＦＳとモニタリング装置との間の推定された差異モデルをモデル化すること；及び推定された差異モデルのパラメータが、ドリフトが表示される前にドリフト閾値が超えられた回数を確定する、対応する持続性における閾値を超える場合、検出器によって、ドリフトを検出することを含む、方法であり得る。方法はまた、複数の閾値における推定された差異モデルのパラメータを解析することを含み得、閾値の各々は、ドリフトが表示される前にドリフト閾値が超えられた回数を確定する、対応する持続性を有する。パラメータは、レートバイアスであり得る。モニタリング装置は、独立した時計であり得る。モニタリング装置は、ＡＦＳの遅延時計信号であり得る。これらのオプションの各々は、本発明の性能及び精度を高めることができる。

上述の特徴、機能、及び利点は、様々な実施例において独立に実現することが可能であり、また別の実施例において組み合わせることも可能である。これらの実施例について、以下の説明及び添付図面を参照してさらに詳細に説明する。

図１は、例示的な原子時計モニタリングシステムのブロック図である。 図２は、第２の例示的な原子時計モニタリングシステムのブロック図である。 図３は、独立した時計ベースのモニタリングアプローチを含む、例示的な原子時計モニタリングシステムを図示している。 図４は、遅延ベースのアプローチを含む、例示的な原子時計モニタリングシステムを図示している。 図５は、電圧制御された水晶発振器（ＶＣＸＯ）又は数値制御された水晶発振器（ＮＣＯ）を利用する、独立した時計ベースのモニタリングシステムを図示している。 図６は、位相ロックループを形成するための、比較的安価なＶＣＸＯを一緒に伴う、高品質の水晶発振器（ＣＸＯ）を利用する、独立した時計ベースのモニタリングシステムを図示している。 図７は、補正を適用することがない、高品質のＣＸＯを利用する、独立した時計ベースのモニタリングシステムを図示している。 図８は、例示的な最上級のボーティングアーキテクチャを図示している。 図９は、時計モニタリングシステムを実装する例示的な方法の流れ図である。 図１０は、生の残留レート差異のプロットを図示している。 図１１は、跳躍補正を含む、生の残留レート差異のプロットを図示している。 図１２は、推定された時計バイアスのプロットを図示している。 図１３は、跳躍補正を含む、推定された時計バイアスのプロットを図示している。 図１４は、残留レート差異のプロットを図示している。 図１５は、レベル２の検出器からの結果を図示している。 図１６は、図９の指示命令を実施するために、機械可読指示命令を実行することができる、例示的な処理プラットフォームのブロック図である。

適切な場合はどこにおいても、図面全体を通して同じ参照番号が使用され、かつ同じ又は類似の部分を言及するために、同じ参照番号が明細書においても添えられる。

全地球測位システム（ＧＰＳ）及び全地球的航法衛星システム（ＧＮＳＳ）は、正確なタイミングを維持するために、ルビジウム原子時計などの原子周波数標準（ＡＦＳ）を利用する。ルビジウム原子時計などのＡＦＳｓは、周波数跳躍、位相跳躍、周波数レート跳躍、及び異常な周波数ドリフトを含む、様々な異常に晒される。これらのような異常は、その異常が適切に検出されかつ取り扱われない場合、重要なエラーを伴って、エンドユーザがそれらの位置、速度、及び時間を決定する原因となり得る。

時計異常のモニタリング、検出、及び応答は、エンドユーザのＧＰＳ／ＧＮＳＳ受信機において、ＧＰＳ／ＧＮＳＳの地上管制において、又はＧＰＳ／ＧＮＳＳ宇宙船（例えば、衛星）において、各々の位置に関連する種々の性能特性を伴って、実行されることができる。

本明細書において開示される例示的な方法及び装置は、宇宙船に搭載されるＧＰＳ／ＧＮＳＳ原子時計の異常に対する、モニタリング、検出、及び応答を可能にする。搭載される時計のモニタリングは、最も効果的な警告時間、サービスアベイラビリティー、及び継続性を提供する。搭載されている時計の異常を識別することによって、時計信号が生成される場所において、異常は素早く検出されることができ、かつ警告が直ちに送信され得る。特定の実施例において、間違った信号が宇宙船から送信される前に、時計の異常を補正することができ、それによって誤った情報が送信されることを妨げ、かつそれによってサービスアベイラビリティー及び／又は継続性を改良することができる。

本明細書の中において開示される例示的な方法及び装置は、様々な時計モニタリングアーキテクチャを含む。特定の実施例において、既存の構成要素は、付加的なハードウェアを要求することなしに、時計モニタリングを実行するために利用される。例えば、水晶発振器（ＣＸＯ）、電圧制御された水晶発振器（ＶＣＸＯ）、及び／又は数値制御された水晶発振器（ＮＣＯ）などの既存の発振器は、本明細書の中において説明される実施例にしたがって時計モニタリングを実行するために利用され得る。特定の実施例において、これらのような構成要素は、周波数アップコンバージョンなどの様々な機能を実行するために、システムの中に含まれる。時計モニタリングを実行するために既存の構成要素を利用することによって、付加的な能力が最小限のコストを伴って実装され得る。

第１の例示的な時計モニタリングアーキテクチャは、ＡＦＳ信号の位相及び／又はレートを、ＣＸＯなどの別の時計の位相及び／又はレートに対して比較することによって、ＡＦＳをモニターする。第２の例示的な時計モニタリングアーキテクチャは、ＡＦＳ信号の位相変化及び／又はレート変化を、固定された遅延インターバルにわたって比較することによって、ＡＦＳをモニターする。第１及び第２の例示的な時計モニタリングアーキテクチャの各々は、性能及びコストの様々なレベルにおける複数の実装のバリエーションを含む。

開示される例示的な方法及び装置は、既存のシステムの能力を超える、包括的な原子時計モニタリング能力を提供するために、革新的な解析技術を利用する。高レベルにおいて、これらの技術は、各々の検出レベルに対するマルチ閾値及びマルチ持続性の解析を含む、マルチレベルの検出を含む。

マルチレベルの検出は、特定のタイプの異常を検出するために、様々なレベルにおける検出器を提供する。実施例は、レベル１の検出器及びレベル２の検出器を含む。レベル１の検出器が大きな異常を素早く検出する一方で、レベル２の検出器は、より長い時間をかけて小さい異常を検出する。各々の検出レベルにおいて、マルチ閾値及びマルチ持続性の解析は、各々の閾値と関連する持続性の要求を伴って、測定値に基づく所定の閾値を含む。持続性は、異常が検出され又は表示される前に、特定の閾値における測定値が感知されなければならない回数（例えば、測定値が閾値を満足する又は超える回数）に言及する。

作動において、大きくかつ明らかな以上は、より低い持続性を伴ってより大きい閾値を使用することによって素早く検出及び報告又は補正され、それによってシステムが汚染される前に異常を検出しかつ補正する。加えて、より小さくかつより明らかでない異常は、より高い持続性を伴ってより厳しい閾値を使用することによって長い時間をかけて検出され、それによって例えばノイズからもたらされる間違った警告を避ける一方で、小さな異常を検出する。

そのような異常を検出するや否や、ユーザレンジエラー（ＵＲＥ）に対するそれぞれの異常の影響が評価され、そのことは、作動上の決定及びエンドユーザに対する警告のための基礎を提供することができる。特定の実施例において、警告及び影響の予測は、航法メッセージの中に含まれる。他の実施例において、異常（例えば、跳躍又はドリフト）は、システムアベイラビリティーを妥協することなく、精度の高い性能を維持するために搭載状態で補正される。

原子時計の異常を補正する既存の方法とは対照的に、本明細書の中において開示される例示的な方法及び装置は、間違った警告及び失敗した検出の可能性を最小限にする一方で、安価な高性能ＧＰＳ／ＧＮＳＳ原子時計モニタリングを達成するように設計される。例えば、高性能時計モニタリングは、非常に小さい異常のイベント（例えば、１０−１２秒／秒より小さい周波数跳躍）を検出する能力を含む。

図１に戻ると、例示的な原子時計モニタリングシステム１００のブロック図が示されている。システム１００は、原子周波数標準（ＡＦＳ）／モニタリングアセンブリ１０２、計測器１０４、レベル１の検出器１０６、跳躍補正アキュムレーター１０８、推定器１１０、及びレベル２の検出器１１２を含む。

図示される実施例のＡＦＳ／モニタリングアセンブリ１０２は、ＡＦＳ１１４及びモニタリング装置１１６を含む。アセンブリとして示されているが、ＡＦＳ１１４及びモニタリング装置１１６は、統合された装置として又は別々の装置として実装され得る。特定の実施例において、ＡＦＳ１１４はルビジウム時計であり、かつモニタリング装置１１６はＣＸＯである。他の実施例において、モニタリング装置１１６は、ＶＣＸＯ、ＮＣＯ、又は１以上のＣＸＯｓ、ＶＣＸＯｓ、及び／又はＮＯＣｓの組み合わせである。ＡＦＳ１１４は、ＡＦＳ信号１１８を生み出し、かつモニタリング装置１１６はモニタリング装置信号１２０を生み出す。

この実施例において、ＡＦＳ信号１１８及びモニタリング装置信号１２０は、計測器１０４によって受信される。計測器１０４は、ＡＦＳ信号１１８とモニタリング装置信号１２０との間の、位相及び／又はレート差異を測定する、位相計測器及び／又はレート計測器であり得る。計測器１０４は、ＡＦＳ信号１１８とモニタリング装置信号１２０との間の、測定された位相及び／又はレート差異を出力する。

解析機１２４は、計測器１０４から測定された位相及び／又はレート差異１２２を受信し、推定器１１０から推定された位相及び／又はレート差異１２６を受信し、かつ跳躍補正アキュムレーターから累積した跳躍の補正を受信する。解析機１２４は、残留位相及び／又はレート差異１３０を計算するために、測定された位相及び／又はレート差異１２２から、推定された位相及び／又はレート差異、並びに累積した跳躍の補正１２８を差し引く。

図示された実施例のレベル１の検出器１０６は、残留位相及び／又はレート差異１３０を閾値と比較し、上述されたように、マルチ閾値及びマルチ持続性の解析技術を使用して、跳躍を検出しかつ補正する。例えば、ノイズによる間違ったポジティブ（ｐｏｓｉｔｉｖｅｓ）を避ける一方で跳躍を適正に識別するために、より低い閾値はより高い持続性（例えば、異常が検出され又は表示される前に、特定の閾値における測定値が感知されなければならない回数）を要求し得る。残留位相差異は、位相跳躍を検出するために使用されることができる（例えば、レベル１の位相検出器）。実施例において、位相跳躍は、残留位相差異が、繰り返しの所定の数（例えば、ｎＰ）の持続性における所定の閾値（例えば、ｐＴＨ）を超える場合、検出される。さらなる実施例において、レート跳躍は、残留レート差異が、繰り返しの所定の数（例えば、ｎＲ）の持続性における所定の閾値（例えば、ｒＴＨ）を超える場合、検出される。特定の実施例において、跳躍を検出するや否や、レベル１の検出器１０６は、跳躍補正１３２を計算する。跳躍補正アキュムレーター１０８は、跳躍補正１３２を蓄積し、かつ累積した跳躍補正１２８を解析機１２４に対して出力する。加えて、レベル１の検出器１０６は、位相跳躍又はレート跳躍を表示するために故障のインジケータ１３４を出力する。間違いが自動的には補正されない特定の実施例において、故障のインジケータ１３４は、航法メッセージの中に含まれて、時計信号の中の故障の受信機に警告し、又はユーザが異常なイベントから保護されるように航法信号を除去することができる。いくつかの実施例において、レベル１の検出器１０６は、付加的に、累積した跳躍１２８を原因とする残留位相及び／又はレート差異の一部を除去することによって、新しく検出された跳躍に対して補正された残留位相及び／又はレート差異１３６を計算する。

図示される実施例の推定器１１０は、ＡＦＳ信号１１８とモニタリング装置信号１２０との間の、推定された位相及び／又はレート差異１２６をモデル化する。特定の実施例において、推定器１１０は、カルマンフィルター又は固定されたゲインフィルター（ｇａｉｎ ｆｉｌｔｅｒ）を含む。推定器１１０によって利用される数学的なモデルの特定のパラメータは、以下に詳細に議論される。推定器１１０は、補正された残留位相及び／又はレート差異１３０をレベル１の検出器１０６から受信し、推定器１１０はそれを利用してそのモデルをアップデートする。推定された位相及び／又はレート差異１２６は、解析機１２４に対して出力される。推定器１１０はまた、推定された位相及び／又はレート差異１２６のそのモデルと関連するパラメータ１３８を、レベル２の検出器１１２に出力する。実施例において、パラメータ１３８は、推定されたレートバイアスである。

レベル２の検出器１１２は、パラメータ１３８（例えば、推定されたレートバイアス）を受信し、パラメータ１３８は、より遅く、より微妙な異常のドリフティングを検出するために解析される。実施例において、レベル２の異常は、期間（例えば、ｄｔ）にわたるレートバイアスの推定における変化が、繰り返しの所定の数（例えば、ｎＤＲ）の持続性における所定の閾値（ｄｒＴＨ）を超える場合、検出される。加えて、レベル２の検出器１１２は、故障のインジケータ１４０を出力し、パラメータ１３８（例えば、推定されたレートバイアス）の異常なドリフトを表示する。間違いが自動的には補正されない特定の実施例において、故障のインジケータ１４０は、航法メッセージの中に含まれて、時計信号の中の故障の受信機に警告し、又は航法信号の除去を含む他のアクションが、例えば、ユーザを異常な信号から保護するために行われ得る。

図２に戻ると、別の例示的な原子時計モニタリングシステム２００のブロック図が示されている。システム２００は、図１のシステム１００の代替的な構成である。図２のシステム２００は、ハードウェアループ閉合構成を描き、一方で、図１のシステム１００は、ソフトウェアループ閉合構成を利用する。

図２のシステム２００は、ＡＦＳ／モニタリングアセンブリ２０２、計測器２０４、レベル１の検出器２０６、跳躍補正アキュムレーター２０８、推定器２１０、及びレベル２の検出器２１２を含む。

ＡＦＳ／モニタリングアセンブリ２０２は、ＡＦＳ２１４及びモニタリング装置２１６を含む。特定の実施例において、ＡＦＳ２１４はルビジウム時計であり、かつモニタリング装置２１６はＣＸＯである。他の実施例において、モニタリング装置２１６は、ＶＣＸＯ、ＮＣＯ、又は１以上のＣＸＯｓ、ＶＣＸＯｓ、及び／又はＮＯＣｓの組み合わせである。ＡＦＳ２１４は、ＡＦＳ信号２１８を生み出す。

図示される実施例のＡＦＳ／モニタリングアセンブリ２０２は、推定された位相及び／又はレート差異２２０を推定器２１０から受信する。この構成は、推定された位相及び／又はレート差異１２６が解析機１２４によって受信される、図１のシステム１００の構成とは異なっている。ＡＦＳ／モニタリング装置アセンブリ２０２のモニタリング装置２１６は、推定された位相及び／又はレート差異２２０を受信する。モニタリング装置２１６は、推定された位相及び／又はレート差異２２０に基づいて、追跡されるＡＦＳ信号２２２を生み出す。

計測器２０４は、ＡＦＳ信号２１８、追跡されるＡＦＳ信号２２２、及び累積した跳躍の補正２２４を受信する。計測器２０４は、位相及び／又はレートに関する累積した跳躍の補正２２４を含んで、ＡＦＳ信号２１８と追跡されるＡＦＳ信号２２２との間の差異を測定する、位相計測器及び／又はレート計測器であり得る。この測定の結果は、残留位相及び／又はレート差異２２６である。

図２のシステム２００の残っているアーキテクチャは、図１のシステム１００のそれと類似している。それ故、図２のシステム２００は、同じ又は類似の機能を取得するために、ソフトウェアベースの閉ループ制御システムとは異なり、ハードウェアベースの閉ループ制御システムを利用する、図１のシステム１００の代替的な構成を示している。

今度は図３及び図４に戻ると、図１及び図２のＡＦＳ／モニタリングアセンブリ１０２及び２０２が図示され、それらは時計モニタリングに対して異なるアプローチを提供する。図３は、遅延ベース構成３００を使用する時計モニタリングを図示し、かつ図４は、独立した時計ベースモニタリング構成４００を使用する時計モニタリングを図示している。

独立した時計ベース及び遅延ベース構成の各々は、位相跳躍を検出しかつ補正することができ、所定の閾値を超えるレート跳躍を検出しかつ補正することができ、かつ予測に対して推定される長時間のレートバイアスをテストすることができる。しかしながら、特定の構成は、特定の用途に対してより適切である。例えば、様々な遅延ベース構成３００及び時計ベースモニタリング構成４００は、短期及び長期の安定性、ハードウェアを交換する際のコスト及び能力、既存のハードウェアを使用する機会、並びにハードウェアの不具合及び／又は故障メカニズム（例えば、ボーティングスキームが必要とされるかどうか）に関して、変化する性能を披歴する。

図３は、遅延ベース構成３００を使用する時計モニタリングを図示している。遅延ベース構成３００は、ＡＦＳ３０４（例えば、ルビジウム時計）及びＡＦＳ３０４の遅延信号３０６を含む、例示的なＡＦＳ／モニタリングアセンブリ３０２を含む。基本的に、この構成は、遅延に対する遅延期間にわたる時計位相及びレート変化の比較を容易にし、それは本質的には短期の時計として作動する。既知の値（例えば、遅延値）によって埋め合わせされる位相及びレート差異は、故障を検出するために使用される。位相差異は、本質的にはレートのテストである。位相跳躍は断続的なスパイクとして現れ、一方、レート跳躍はステップとして現れる。

特定の実施例において、カルマンフィルター又は固定されたゲインフィルターは、遅延の精度に関するＡＦＳレートバイアス、及び／又は遅延の精度に関するＡＦＳ加速度エラー（周波数時間微分値エラー）を推定するために使用される。特定の実施例において、遅延安定性は定量化され得、それによって推定されたＡＦＳレートバイアスの改良された精度を可能にする。

様々な構成は、図３の遅延ベースのアプローチに対して利用され得る。第１の構成は、発振器ベースの遅延メカニズムを利用する。第２の構成は、遅延ラインを含む。

図４に戻ると、独立した時計ベースのモニタリング構成４００を使用する、時計モニタリングが図示されている。独立した時計ベースのモニタリング構成４００は、ルビジウム時計などのＡＦＳ４０４、及びＣＸＯなどの独立した時計４０６を含む、例示的なＡＦＳ／モニタリングアセンブリ４０２を含む。他の実施例において、独立した時計４０６は、ＶＣＸＯ、ＮＣＯ、又は１以上のＣＸＯｓ、ＶＣＸＯｓ、及び／又はＮＯＣｓの組み合わせである。

様々な構成は、図５から図７との関連で示されかつ説明される、図４の独立した時計ベースのアプローチに対して利用され得る。

図５は、ＶＣＸＯ又はＮＣＯを利用する、例示的な独立した時計ベースのモニタリングシステム５００を示している。この構成において、ＶＣＸＯ又はＮＣＯでは、故障検出、孤立化、及び応答を実行するために既存の時計又は信号発生アーキテクチャが利用され得る。この構成は、既存の構成要素を利用することによって、代替的な構成に及ぶコスト節約を提供する。

例示的なシステム５００は、ＡＦＳ５０２、位相及び／又はレート計測器５０４、検出器及び推定器５０６、独立した時計５０８、及び跳躍補正アキュムレーター５１０を含む。ＡＦＳ５０２はＡＦＳ信号５１２を生み出し、それは位相及び／又はレート計測器５０４によって受信される。位相及び／又はレート計測器５０４はまた、独立した時計５０８から補正された追跡されるＡＦＳ信号５１４、及び跳躍補正アキュムレーター５１０から累積した跳躍の補正５１６を受信する。

検出器及び推定器５０６は、ＡＦＳ５０２と独立した時計５０８との間の、推定された位相及び／又はレート差異をモデル化する。検出器及び推定器５０６は、位相及び／又はレート計測器５０４から残留位相及び／又はレート差異５１８を受信し、それを利用してそのモデルをアップデートする。検出器及び推定器５０６は、独立した時計５０８に対して、推定された位相及び／又はレート差異５２０を出力する。検出器及び推定器５０６は、位相及び／又はレート計測器５０４から受信した、残留位相及び／又はレート差異５１８に基づいて、位相及び／又はレート跳躍を検出する。検出された位相及び／又はレート跳躍５２２は、跳躍補正アキュムレーター５１０に対して出力される。

独立した時計５０８は、ＡＦＳ時計信号５１２を追跡する時計信号を生み出す。その後、独立した時計５０８は、検出器及び推定器５０６から受信した推定された位相及び／又はレート差異５２０に基づいて、その時計信号（例えば、追跡されるＡＦＳ信号）を調整する。それ故、独立した時計５０８は、補正された追跡されるＡＦＳ信号５１４を、位相及び／又はレート計測器５０４に対して出力する。

計測器５０４は、ＡＦＳ信号５１２、補正された追跡されるＡＦＳ信号５１４、及び累積した跳躍の補正５１６を受信する。計測器５０４は、位相及び／又はレートに関する累積した跳躍の補正５１６を含む、ＡＦＳ信号５１２と補正された追跡されるＡＦＳ信号５１４との間の差異を測定する、位相計測器及び／又はレート計測器であり得る。この測定の結果は、残留位相及び／又はレート差異５１８である。

図６は、位相ロックループを形成するための、比較的安価なＶＣＸＯ又はＮＣＯを一緒に伴う、高品質のＣＸＯを利用する、例示的な独立した時計ベースのモニタリングシステム６００を図示している。例示的なシステム６００は、独立した時計、位相及び／又はレート計測器６０６、検出器及び推定器６０８、及び位相ロックループ６１０として作動する、ＡＦＳ６０２、ＣＸＯ６０４を含む。位相ロックループ６１０は、位相計測器及び／又はレート計測器６１２、フィルター６１４（例えば、カルマン又は固定されたゲインフィルター）、及びＶＣＸＯ又はＮＣＯ６１６を含む。

上述されたシステムと類似して、検出器及び推定器６０８は、位相及び／又はレート補正６１８を出力する。位相ロックループ６１０は、位相及び／又はレート補正６１８並びに時計信号６２０を受信し、時計信号６２０は、ＡＦＳ時計信号又はＣＯＸ時計信号であり得る。

位相ロックループ６１０は、この実施例の中において利用され、位相及び／又はレート補正６１８を補正された時計信号６２２として実施する。システム６００の実装はまた、必要に応じて、デジタルからアナログへ、及びアナログからデジタルへの変換器を含む。

図７は、補正を適用することがない、高品質のＣＸＯを利用する、例示的な独立した時計ベースのモニタリングシステム７００を図示している。例示的なシステム７００は、システム７００が位相ロックループ６１０を含まないことを除いて、図６のシステム６００に類似する。システム７００は、時計モニタリングの特徴が望まれるがハードウェア容量が限られている、用途において実施される。システム７００は、上述したシステムに類似して作動し、かつ位相及び／又はレート補正７０２を提供する。特定の実施例において、位相及び／又はレート補正７０２は、航法データメッセージの中に含まれ得る。加えて又は代替的に、航法信号は、定義された閾値が超えられる場合、ユーザを保護するために除去され得る。

上述された例示的な原子時計モニタリング構成の各々に対して、異常のソースは識別され得、かつ異常のソースはその異常が補正できない場合、孤立させられ得る。特定の実施例は、冗長性、ボーティング、及び／又はこれらの機能を実行する他のメカニズムを利用する。特定の実施例において、冗長性は、ランプ電圧などのモニタリングＡＦＳテレメトリによるなどして、他のメカニズムを利用することによって避けられる。

図８は、例示的な最上級のボーティングアーキテクチャ８００を図示している。例示的なボーティングアーキテクチャ８００は、時計異常のソースを識別しかつ孤立させるために、上述された任意の実施例の中において実装されることができる。例示的なボーティングアーキテクチャ８００は、システムに対する付加的な作動時計を加えることによって、実装されることができる。概して、３以上の作動時計が、周波数又は位相異常を検出しかつ孤立させるために使用される。

特定の実施例において、位相及び周波数に関する時計異常が十分に低い場合、冗長性及びボーティングアーキテクチャは省略され得る。代わりに、システムの時計跳躍をモニタリングすることによってもたらされる検出は、ノイズであると考えられ得る。そのようなノイズは、間違った警告の確率を制御するための警告持続性値によって説明されることができる。

例示的なボーティングアーキテクチャ８００は、第１の時計８０２、第２の時計８０４、及び第３の時計８０６を含む。第１、２、及び３の時計８０２、８０４、８０６は、ＡＦＳｓ（例えば、ルビジウム時計）及び／又は水晶発振器（例えば、ＣＸＯｓ、ＶＣＸＯｓ、及び／又はＮＣＸＯｓ）の任意の組み合わせであり得る。第１の例示的な実施態様において、第１、２、及び３の時計８０２、８０４、８０６の各々は、ＡＦＳである。第２の例示的な実施態様において、第１及び２の時計８０２、８０４はＡＦＳｓであり、かつ第３の時計８０６はＣＸＯである。第３の例示的な実施態様において、第１の時計８０２はＡＦＳであり、かつ第２及び３の時計８０４、８０６はＣＸＯｓである。第１の時計８０２は第１の時計信号８０８を出力し、第２の時計８０４は第２の時計信号８１０を出力し、かつ第３の時計８０６は第３の時計信号８１２を出力する。

例示的なボーティングングアーキテクチャ８００はまた、第１のフィルターベースの検出器及び補正器８１４、第２のフィルターベースの検出器及び補正器８１６、及び第３のフィルターベースの検出器及び補正器８１８を含む。第１、２、及び３のフィルターベースの検出器及び補正器８１４、８１６、８１８の各々は、時計のうちの２つの間の推定された差異をモデル化するために、フィルター（例えば、カルマン又は固定されたゲインフィルター）を含み、それは、残留（例えば、予測された時計差異と測定された時計差異との間の差異）を計算するために使用され、それは、様々なタイプの跳躍を検出するために使用される。図８の中におい描かれる例示的なボーティングアーキテクチャ８００において、各々のフィルターベースの検出器及び補正器は、２つの時計に対応する。すなわち、第１のフィルターベースの検出器及び補正器８１４は、第１の時計信号８０８及び第２の時計信号８１０を受信し、第２のフィルターべースの検出器及び補正器８１６は、第２の時計信号８１０及び第３の時計信号８１２を受信し、かつ第３のフィルターベースの検出器及び補正器８１８は、第１の時計信号８０８及び第３の時計信号８１２を受信する。

時計異常を検出するや否や、第１、２、及び３のフィルターベースの検出器及び補正器８１４、８１６、８１８の各々は、孤立及びボーティングング情報をボーター及びアイソレーター８２０に対して送信する。各々の時計は、時計のうちの１つが異常を披歴する場合、そのそれぞれの時計信号をフィルターベースの検出器及び補正器８１４、８１６、８１８のうちの２つに対して送信する。結果として、３つのフィルターベースの検出器及び補正器８１４、８１６、８１８のうちの２つは、異常によって影響を受ける。それ故、異常によって影響を受けるフィルターベースの検出器及び補正器８１４、８１６、８１８のうちの両方に含まれる時計が、異常のソースである。例えば、異常が第１及び２のフィルターベースの検出器及び補正器８１４、８１６によって検出される場合、それ故、第２の時計８０４が故障であり；異常が第２及び３のフィルターベースの検出器及び補正器８１６、８１８によって検出される場合、それ故、第３の時計８０６が故障であり；かつ異常が第１及び３のフィルターベースの検出器及び補正器８１４、８１８によって検出される場合、それ故、第１の時計８０２が故障である。

一旦、異常が検出され、異常のソースである特定の時計が識別されると、補正はボーティングアーキテクチャによって識別された故障時計に対して適用されることができる。

図１から図７の例示的な時計モニタリングシステム１００、２００、３００、４００、５００、６００、及び７００、並びに図８の例示的なボーティングアーキテクチャ８００を実装する例示的なやり方が、図９の中において示される一方で、図９の中において示される要素、プロセス、及び／又は装置のうちの１以上は、組み合わされ、分割され、再配置され、省略され、及び／又は任意の他のやり方によって実装され得る。さらに、例示的なＡＦＳ／モニタリングアセンブリ１０２、２０２、３０２、４０２；例示的な計測器１０４、２０４、５０４、６０６、６１２；例示的なレベル１の検出器１０６、２０６；例示的な跳躍補正アキュムレーター１０８、２０８、５１０；例示的な推定器１１０、２１０；例示的なレベル２の検出器１１２、２１２；例示的なＡＦＳ１１４、２１４、３０４、４０４、５０２、６０２；例示的なモニタリング装置１１６、２１６、３０６、４０６；例示的な解析機１２４；例示的な検出器及び推定器５０６、６０８；例示的な独立した時計５０８；例示的なＣＸＯ６０４；例示的な位相ロックループ６１０；例示的なフィルター６１４；例示的なＶＣＸＯ又はＮＣＯ６１６；例示的な時計８０２、８０４、８０６；例示的なフィルターベースの検出器及び補正器８１４、８１６、８１８；例示的なボーター及びアイソレーター８２０；及び／又は、より一般的に、図１から図７の例示的な時計モニタリングシステム１００、２００、３００、４００、５００、６００、及び７００、並びに図８の例示的なボーティングアーキテクチャ８００は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、及び／又はハードウェア、ソフトウェア、及び／又はファームウェアの任意の組み合わせによって実装され得る。それ故、例えば、任意の例示的なＡＦＳ／モニタリングアセンブリ１０２、２０２、３０２、４０２；例示的な計測器１０４、２０４、５０４、６０６、６１２；例示的なレベル１の検出器１０６、２０６；例示的な跳躍補正アキュムレーター１０８、２０８、５１０；例示的な推定器１１０、２１０；例示的なレベル２の検出器１１２、２１２；例示的なＡＦＳ１１４、２１４、３０４、４０４、５０２、６０２；例示的なモニタリング装置１１６、２１６、３０６、４０６；例示的な解析機１２４；例示的な検出器及び推定器５０６、６０８；例示的な独立した時計５０８；例示的なＣＸＯ６０４；例示的な位相ロックループ６１０；例示的なフィルター６１４；例示的なＶＣＸＯ又はＮＣＯ６１６；例示的な時計８０２、８０４、８０６；例示的なフィルターベースの検出器及び補正器８１４、８１６、８１８；例示的なボーター及びアイソレーター８２０；及び／又は、より一般的に、図１から図７の例示的な時計モニタリングシステム１００、２００、３００、４００、５００、６００、及び７００、並びに図８の例示的なボーティングアーキテクチャ８００は、１以上のアナログ又はデジタル回路、論理回路、プログラム可能プロセッサ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ（ｓ））、プログラム可能論理装置（ＰＬＤ（ｓ））、及び／又はフィールドプログラム可能論理装置（ＦＰＬＤ（ｓ））によって実装されることができる。純粋にソフトウェア及び／又はファームウェアの実装をカバーするこの特許の装置又はシステムの任意のクレームを読む場合、例示的なＡＦＳ／モニタリングアセンブリ１０２、２０２、３０２、４０２；例示的な計測器１０４、２０４、５０４、６０６、６１２；例示的なレベル１の検出器１０６、２０６；例示的な跳躍補正アキュムレーター１０８、２０８、５１０；例示的な推定器１１０、２１０；例示的なレベル２の検出器１１２、２１２；例示的なＡＦＳ１１４、２１４、３０４、４０４、５０２、６０２；例示的なモニタリング装置１１６、２１６、３０６、４０６；例示的な解析機１２４；例示的な検出器及び推定器５０６、６０８；例示的な独立した時計５０８；例示的なＣＸＯ６０４；例示的な位相ロックループ６１０；例示的なフィルター６１４；例示的なＶＣＸＯ又はＮＣＯ６１６；例示的な時計８０２、８０４、８０６；例示的なフィルターベースの検出器及び補正器８１４、８１６、８１８；例示的なボーター及びアイソレーター８２０のうちの少なくとも１以上は、本明細書において、具体的なコンピュータ可読記憶装置、又はソフトウェア及び／又はファームウェアを記憶する、メモリ、デジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）、コンパクトディスク（ＣＤ）、ブルーレイディスクなどの記憶ディスクを含むように、明確に定義される。さらにまた、図１から図７の例示的な時計モニタリングシステム１００、２００、３００、４００、５００、６００、及び７００、並びに図８の例示的なボーティングアーキテクチャ８００は、図９の中において描かれるものに加えて、又はそれらの代わりに、１以上の要素、プロセス、及び／又は装置を含むことができ、及び／又は任意の若しくは全ての図示される要素、プロセス、及び装置のうちの１より多くの数のものを含むことができる。

図１から図７の時計モニタリングシステム１００、２００、３００、４００、５００、６００、及び７００、並びに図８の例示的なボーティングアーキテクチャ８００を実装する例示的な方法の流れ図による表現は、図９において示されている。この実施例において、方法は、図１６との関連において以下に議論される例示的なプロセッサプラットフォーム１６００の中で示されるプロセッサ１６１２などの、プロセッサによって実行されるためのプログラムを備える機械可読指示命令によって実施されることができる。プログラムは、ＣＤ‐ＲＯＭ、フロッピーディスク、ハードドライブ、デジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）、ブルーレイディクス、又はプロセッサ１６１２と関連するメモリなどの具体的なコンピュータ可読記憶媒体に記憶されたソフトウェアの中で具現化され得るが、全体のプログラム及び／又はその部分は、プロセッサ１６１２以外の装置によって代替的に実行さえ得、及び／又はファームウェア若しくは専用のハードウェアの中で代替的に具現化され得る。さらに、例示的なプログラムが図９の中で示される流れ図に関連して説明されるが、例示的な時計モニタリングシステム１００、２００、３００、４００、５００、６００、及び７００、並びに例示的なボーティングアーキテクチャ８００を実装する他の多くの方法は、代替的に使用され得る。例えば、ブロックの実行の順序は変えられ、及び／又は説明されるブロックのうちのいくつかは、変えられ、消去され、又は組み合され得る。

上述したように、図９の例示的なプロセスは、ハードディスクドライブ、フラッシュメモリ、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、コンパクトディスク（ＣＤ）、デジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）、キャッシュ、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、及び／又は情報が任意の期間に記憶される（例えば、拡張された時間の間、永久的に、短時間だけ、一時保存、及び／又は情報のキャッシングのため）任意の他の記憶装置又は記憶ディスクなどの、具体的なコンピュータ可読記憶媒体に記憶される、コード化された指示命令（例えば、コンピュータ及び／又は機械可読指示命令）を使用して実施される。本明細書の中において使用されるように、具体的なコンピュータ可読記憶媒体という用語は、任意のタイプのコンピュータ可読記憶装置及び／又は記憶ディスクを含み、かつ伝搬信号を排除しかつ伝送媒体を排除するように明確に定義される。本明細書の中において使用されるように、「具体的なコンピュータ可読記憶媒体」及び「具体的な機械可読記憶媒体」という用語は、相互に交換可能に使用される。付加的に又は代替的に、図９の例示的なプロセスは、ハードディスクドライブ、フラッシュメモリ、リードオンリーメモリ、コンパクトディスク、デジタル多用途ディスク、キャッシュ、ランダムアクセスメモリ、及び／又は情報が任意の期間に記憶される（例えば、拡張された時間の間、永久的に、短時間だけ、一時保存、及び／又は情報のキャッシングのため）任意の他の記憶装置又は記憶ディスクなどの、非一時的コンピュータ及び／又は機械可読媒体に記憶される、コード化された指示命令（例えば、コンピュータ及び／又は機械可読指示命令）を使用して実施される。本明細書の中において使用されるように、非一時的コンピュータ可読媒体という用語は、任意のタイプのコンピュータ可読記憶装置及び／又は記憶ディスクを含み、かつ伝搬信号を排除しかつ伝送媒体を排除するように明確に定義される。本明細書の中で使用されるように、「少なくとも」というフレーズがクレームの前文において遷移用語として使用される場合、「備える」という用語が解放式であるのと同様に、それは解放式である。

図９は、マルチレベル、マルチ閾値、及びマルチ持続性の解析を使用して原子時計信号をモニターする、例示的な方法９００の流れ図の表現である。図９の流れ図は、図１の時計モニタリングシステム１００に関して説明されるが、図９の流れ図は、図１から図８の任意のシステム１００、２００、３００、４００、５００、６００、７００、及び／又は８００を使用して実施されることができる。

ブロック９０２において、ＡＦＳとモニタリング装置との間の差異が測定される。例えば、図１の時計モニタリングシステム１００において、ブロック９０２は、計測器１０４によって実行され、計測器１０４は、ＡＦＳ信号１１８とモニタリング装置信号１２０との間の位相及び／又はレート差異を測定する。

ブロック９０４において、ＡＦＳとモニタリング装置との間の推定された差異がモデル化される。実施例において、推定器１１０は、推定された位相及び／又はレート差異１２６をモデル化する。推定器１１０は、レベル１の検出器１０６から受信した、補正された残留位相及び／又はレート差異１３６に基づいてそのモデルをアップデートする。

ブロック９０６において、残留信号が計算される。実施例において、解析機１２４は、測定された位相及び／又はレート差異１２２、推定された位相及び／又はレート差異１２６、及び累積した跳躍１２８を受信し、かつ残留位相及び／又はレート差異１３０を計算する。

ブロック９０８において、残留信号が解析される。実施例において、レベル１の検出器１０６は、残留位相及び／又はレート差異１３０を複数の閾値と比較し、複数の閾値の各々は、跳躍が検出されかつ表示される前に閾値が超えられた回数を確定する、対応する持続性を有する。

ブロック９１０において、跳躍は、残留位相及び／又はレート差異１３０が閾値と関連する持続性において閾値を超える場合、検出され又は表示される。実施例において、ブロック９１０はレベル１の検出器１０６によって実行される。加えて、レベル１の検出器１０６は、跳躍を原因とする残留位相及び／又はレート差異１３０の一部を除去することによって、補正された残留位相及び／又はレート差異１３６を出力する。

跳躍がブロック９１０において検出され又は表示される場合、跳躍警告がブロック９１２において表示される。実施例において、跳躍警告は、故障のインジケータ１３４によって表示される。

ブロック９１４において、跳躍は蓄積される。実施例において、跳躍補正アキュムレーター１０８は、跳躍を蓄積し、かつ累積した跳躍１２８を解析機１２４に対して出力する。

ブロック９１５において、累積した跳躍は補正される。ブロック９１５は、随意に、例えばシステム５００などの独立した時計ベースのモニタリングシステムを含む、システムによって実行される。実施例において、位相及び／又はレート計測器５０４はまた、独立した時計５０８から補正された追跡されるＡＦＳ信号５１４、かつ跳躍補正アキュムレーター５１０から累積した跳躍の補正５１６を受信する。

ブロック９１６において、跳躍ソースが決定される。ブロック９１６は、随意に、ボーティングアーキテクチャ８００を含むシステムによって実行される。実施例において、ボーティングアーキテクチャ８００は、跳躍のソースである特定の時計を決定する。

ブロック９１８において、推定された差異モデルのパラメータが解析される。実施例において、レベル２の検出器１１２は、推定された位相及び／又はレート差異モデル１２６（例えば、レートバイアス）を複数の閾値と比較し、複数の閾値の各々は、ドリフトが表示され又は検出される前に閾値（例えば、ドリフト閾値）が超えられた回数を確定する、対応する持続性を有する。

ブロック９２０において、ドリフトは、推定された位相及び／又はレート差異モデル１２６（例えば、レートバイアス）のパラメータが閾値と関連する持続性において閾値を超える場合、検出される。実施例において、ブロック９２０はレベル２の検出器１１２によって実行される。

ドリフトがブロック９２０において検出されない場合、例示的な方法９００はブロック９０２において繰り返す。ドリフトがブロック９２０において検出される場合、ドリフト警告がブロック９２２において表示される。実施例において、ドリフト警告は、故障のインジケータ１４０によって表示される。

ブロック９２４において、ドリフトソースが決定される。ブロック９２４は、随意に、ボーティングアーキテクチャ８００を含むシステムの中で実行される。実施例において、ボーティングアーキテクチャ８００は、ドリフトのソースである特定の時計を決定する。ブロック９２４を実行するや否や、例示的な方法９００はブロック９０２において繰り返す。

時計作動をモデル化しかつエラー（例えば、異常）を検出するために利用される特定の例示的な数学モデルが、以下に説明される。実施例において、時計エラーは第３次のシステムとしてモデル化され、以下によって与えられる：すなわち、

（１）の離散バージョンは、以下によって与えられる：すなわち、

ＡＦＳ（例えば、ルビジウム時計）とＣＸＯとの間の相対的なエラーモデルは、検出器フィルターを構築するために使用される。相対的なエラーモデルは、以下によって表される：すなわち、

３つの状態のフィルターを含む実施例において、周波数（例えば、レート）計測器がモデル化される。与えられた状態のベクトルは：

位相計測器の出力は：

（５）において、ｖ（Ｋ）は時計レート計測器エラーであり、それは、（ｉ）ＣＸＯの位相ランダムウォークノイズ（例えば、ホワイトノイズ）；（ｉｉ）ＡＦＳの位相ランダムウォークノイズ（例えば、クロックレートのホワイトノイズ）；及び（ｉｉｉ）周波数（例えば、レート及び／又は位相）計測器によって導入されたレート測定値ノイズの組み合わせである。例示的な周波数計測器の設計は、（ｄｔ）によって割られる位相計測器出力の差異を利用する。この設計において、位相計測器測定値ノイズは、ｓｑｒｔ（２）／ｄｔが掛けられて、以下のようになる：すなわち、

時計の性能は、様々なパラメータを使用して特徴づけられる。実施例において、Ａｌａｎ Ｖａｒｉａｎｃｅのプロット又はＨａｄａｍａｒｄ Ｖａｒｉａｎｃｅのプロットの曲線適合が使用されて、有限次元／カジュアルフィルター実装可能モデルに対するパラメータを導出する。それ故、「フリッカー（ｆｌｉｃｋｅｒ）位相／周波数／加速度」は、他の用語によって近似される。より具体的には、実施例において、使用されるパラメータは、（ｉ）位相ホワイトノイズ（ｑ０）；（ｉｉ）位相ランダムウォーク／周波数ホワイトノイズ（ｑ１）；（ｉｉｉ）周波数ランダムウォーク／加速度ホワイトノイズ（ｑ２）；及び（ｉｖ）加速度ランダムウォーク／ジャークホワイトノイズ（ｑ３）を含む。

Ａｌａｎ Ｖａｒｉａｎｃｅ及びＨａｄａｍａｒｄ Ｖａｒｉａｎｃｅは、以下によってモデル化される：すなわち、

（７）において、ｑ０は、ホワイトノイズ（例えば、ＡＶプロット上の−１の勾配）の分散であり；ｑ１は、ホワイト周波数ノイズ又は位相ランダムウォーク（例えば、−１／２の勾配）の分散であり；ｑ２は、周波数ランダムウォーク（例えば、加速度の上のホワイトノイズ；＋１／２の勾配）の分散であり；かつｑ３は、加速度ランダムウォーク（例えば、ジャークの上のホワイトノイズ；ランダムラン；＋３／２の勾配）の分散である。

上述したモデルを評価するために、曲線適合が、ＩＩＦ仕様、ＩＩＦ典型的な性能、及びＳｙｍｍｅｔｒｉｃｏｍ９５００Ｂ恒温槽型水晶発振器（ＯＣＸＯ）に関して実行された。曲線適合の第１のバージョンンの結果は、以下のテーブルの中において要約されている。第１のバージョンの結果は、ＯＣＸＯの１００を超える秒までの性能は、ルビジウム原子時計より優れているか又はそれに匹敵するものであることを表示している。

曲線適合の第２のバージョンンの結果は、以下のテーブルの中において要約されている。第２のバージョンの結果は、ＯＣＸＯの６０を超える秒までの性能は、ルビジウム原子時計より優れているか又はそれに匹敵するものであることを表示している。

位相及び／又はレート計測器のターゲットは、確率解析法に基づいて識別された。解析結果は、１０−１２秒及び１０−１２秒／秒より大きいエラーが、モニタリングシステムの性能を実質的に悪化させることを表示している。それより小さいエラーは、ＡＦＳ及びＣＸＯの性能のために性能を著しくは改良しない。したがって、ＡＦＳ及びＣＸＯの改良は、より価値がある位相及び／又はレート計測器のさらなる改良を行うだろう。結論として、位相測定値エラーに対するターゲット要求は１０−１２秒であり、かつレート測定値エラーに対するターゲット要求は１０−１２秒／秒である。

全てのアーキテクチャの選択肢に対して、位相計測器ノイズより大きい位相跳躍は簡単に検出されかつ補正され、かつレート計測器ノイズより大きいレート跳躍は簡単に検出されかつ補正される。

様々なシミュレーションが、上で識別されたシステム及びモデルを使用して実行された。
独立した時計ベースのシステムに対して、レート計測器ノイズは、シグマ＝１０−１２秒／秒のレベルにおいて想定された。様々なレート跳躍レベルを含むシミュレーションケースは、レベル１及びレベル２のテストによる検出に対して実行された。

遅延ベースのシステムに対して、位相計測器ノイズは、１０−１２秒のレベルにおいて想定され、かつ導出された測定値のノイズは１秒の遅延に対して１０−１２秒において想定された。様々なレート跳躍レベルを含むシミュレーションケースは、レベル１及びレベル２のテストによる検出に対して実行された。

加えて、確率解析法が、遅延ベース及び独立した時計ベースのシステムの両方に対して、レベル１のレート跳躍に対して実行された。加えて、確率解析法が、レベル２の推定されたレートバイアスベースの検出に対して実行された。

直接周波数測定値ベースの検出は、ＶＣＸＯがサンプリング期間ｍＴを発生させるために使用されて、解析された。サンプリング期間ｍＴそれ自身は、以下によって表されるノイズを有しいている：すなわち、

したがって、時計レートバイアスは、以下のオーダーである：すなわち、

優れた校正及びｂ＝０であること想定すると、１秒におけるレートバイアスは、以下のようになる：すなわち、

それ故、レートバイアスは、主として１０−１２秒／秒である。６‐シグマの検出に対して、変化が６・１０−１２を超えて検出され得、かつ３‐シグマの検出に対して、変化が３・１０−１２を超えて検出され得る。
?

数学的なモデルが、時計レートアップデートアプローチの中の時計に対して開発された。状態モデルは、以下によって与えられる：すなわち、

２つの測定戦略が、この測定アプローチに対して利用される。第１に、ＡＦＳがエラーを有すると想定される場合、３つのエラーソースが、ＣＸＯ位相エラー、ＡＦＳ位相エラー、及び位相計測器エラーを含む、測定値エラーに対して含まれる。第２に、ＡＦＳが完璧であると想定される場合、ＣＸＯはそれに対してスレーブ（ｓｌａｖｅｄ）され、かつＡＦＳ位相エラーは含まれない。

キーパラメータが、識別されかつ解析され、パラメータを最適化するために評価を決定する。識別されたキーパラメータは、（１）周波数／時計レート測定値に対する平均時間／出力周波数；（２）検出閾値；（３）検出持続性を含む。

周波数／時計レート測定値に対する平均時間／出力周波数に対して、より長い平均時間がノイズを低減することが分かった。しかしながら、５．２秒の検出時間及び持続性は、この値を制限する。

検出閾値に対して、より低い閾値が検出を容易にするが、間違った警告のより大きいインスタンスをもたらすことが分かった。対照的に、より高い閾値は高い確率の見逃した検出をもたらす。したがって、持続性を有する低い閾値は、典型的に、優れた解決法を提供する。

検出持続性は、間違った警告の要求によってドライブされることが分かった。しかしながら、５．２秒の検出時間は、制限された利用可能持続性のみを提供する。

シミュレーション及び解析は、検出の確率が持続性を有するより低い閾値を使用して改良されることを表示し、それは間違った警告を低減する。それ故、４つの持続性（例えば、特定の閾値における４つの測定値は、異常が検出される前に感知されなければならない）が、シミュレーション及び解析に対して選択された。それ故、平均時間は、５．２秒の検出時間要求が与えられたとして、周波数跳躍の大きさが制限されないとして、約１秒となるべきである。それ故、１秒の値が、シミュレーション及び解析に対して選択された。結論として、閾値は、検出確率を補助するために２＊シグマの残留において選択された。

検出及び間違った警告の確率は、以下のようにモデル化される：

実施例において、

結論として、

（１４）の応用において、

確率シミュレーションの結果は、４つの連続した時間に対して異常が閾値を超えたと測定された場合、それが検出されることを表示する。閾値Ｐを超えるサンプルに対する確率が与えられたとして、検出の確率は：Ｐ^４である。したがって、見逃した検出の確率は：

言い換えると、システムは、異常が検出されない試みの全て「ｎ」において、異常を検出し損ねるにちがいない。加えて、異常が補正されない限りにおいて、システムは、異常の検出を試み続ける。

間違った警告及び見逃した検出の影響が、解析された。いくつかの状況において、跳躍は同時に検出されかつ補正されるので、間違った警告は故障の補正に対して効果的に低減される。間違った警告は、低いレベルの異常な周波数データによってもたらされるので、それらの補正は典型的には非常に小さく、かつ概して無害である。しかしながら、いくつかの実施例において、間違った及び／又は大きい位相及び周波数の検出は、サービスの利用不可能をもたらす。

見逃した検出は、固有の署名をフィルター（例えば、カルマンフィルター）残留から識別することが困難な、非常に小さい周波数の跳躍を披歴する異常のために生じる。しかしながら、たとえ小さくて検出されない一定の跳躍であっても、長い時間にわたり大きなエラーを生成し得る。それ故、見逃した検出は、概して、エラーの累積のために望ましくない。それ故、より高い間違った警告の確率を可能にすることによって、見逃した検出の確率を低減することが望ましい。「検出／補正」のアーキテクチャにおいて、間違った警告は、上述されたように、いくつかの実施例において無害となり得る。見逃した検出の確率は、周波数計測器の精度及びＣＸＯの短い期間の安定性によって基本的に制限される。

図１０から図１４は、レベル１の検出器によって検出される３・１０−１２秒の時計レート跳躍を示している。図１０から図１４のプロットは、システム１００、２００、５００、６００、又は７００の例示的な測定値である。図１０に戻ると、生の残留レート差異のプロットが示されている。図１のシステム１００に関して、図１０の生の残留レート差異は、跳躍補正１２８を含まない残留レート差異１３０を表している。近似的に３６００秒において、３・１０−１２秒のレート跳躍がレベル１の検出器によって検出された。図１１は、跳躍補正１２８を含む残留レート差異１３０を図示している。図１１の中において示されるように、残留は、跳躍補正が実施された後に顕著に改良されている。

図１２及び図１３は、推定された時計バイアスを示している。図１２は、跳躍補正を含まない推定された時計バイアスを示しており、かつ図１３は跳躍補正を含む推定された時計バイアスを示している。図１３の中において示されるように、推定された時計バイアスは、跳躍補正が実施された後に顕著に改良されている。

図１４は、長時間にわたる残留レート差異を図示している。図１４は、２シグマ閾値１４０２を含む。図１４は、与えられた閾値の値に関する持続性に関する信号を解析することは、間違った警告の確率を低減する一方で、エラーを識別するために役に立つことを示している。図１４の実施例は、２シグマ閾値における４の持続性を利用する。近似的に３６００秒におけるピークは、それが閾値１４０２を超える４つの測定値であるため、異常として識別される。付加的に又は代替的に、近似的に３６００秒におけるピークは、より低い持続性を有するより高い閾値によって識別されることができる。

図１５は、レベル１の検出器によって検出されなかった時計レート跳躍を示しているが、それは、レベル２の検出器によって検出されたドリフトをもたらした。より具体的には、図１５は、６０秒間の期間にわたる推定されたレートバイアスを示している。この実施例において、近似的に１０−１２秒／秒の跳躍は、所定の閾値を超えたレートバイアスドリフトをもたらし、それによって異常な時計ドリフトを表示した。それ故、図１５は、レベル２の検出器が、レベル１の検出器によって検出されない特定の小さい異常を検出できることを示している。

図１６は、図１から図８の時計モニタリングシステム１００、２００、３００、４００、５００、６００、及び７００、並びに例示的なボーティングアーキテクチャ８００を実施するための、図９の指示命令を実行することができる例示的なプロセッサプラットフォーム１６００のブロック図である。例えば、プロセッサプラットフォーム１６００は、コンピュータプロセッサ、ＦＰＧＡ（フィールドプログラマブルゲートアレイ）又はＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路）、サーバ、パーソナルコンピュータ、モバイル機器（例えば、携帯電話、スマートフォン、アイパッドＴＭのようなタブレット）、携帯情報端末（ＰＤＡ）、インターネット家電、ＤＶＤプレイヤー、ＣＤプレイヤー、デジタルビデオレコーダ、ブルーレイプレイヤー、ゲームコンソール、パーソナルビデオレコーダ、セットトップボックス、又は任意の他のタイプのコンピュータ装置であり得る。

図示された実施例のプロセッサプラットフォーム１６００は、プロセッサ１６１２を含む。図示された実施例のプロセッサ１６１２は、ハードウェアである。例えば、プロセッサ１６１２は、任意の望ましいファミリー又は製造業者からの、１以上の集積回路、論理回路、マイクロプロセッサ、又はコントローラによって実装され得る。

図示された実施例のプロセッサ１６１２は、局所的なメモリ１６１３（例えば、キャッシュ）を含む。図示された実施例のプロセッサ１６１２は、揮発性のメモリ１６１４及び不揮発性のメモリ１６１６を含む主要なメモリと、バス１６１８を介して通信可能である。揮発性のメモリ１６１４は、同期型ＤＲＡＭ（ＳＤＲＡＭ）、ダイナミックＲＡＭ（ＤＲＡＭ）、ラムバスＤＲＡＭ（ＲＤＲＡＭ）、及び／又は任意の他のタイプのランダムアクセスメモリ装置によって実装され得る。不揮発性のメモリ１６１６は、フラッシュメモリ及び／又は任意の他の望ましいタイプのメモリ装置によって実装され得る。主要なメモリ１６１４、１６１６に対するアクセスは、メモリコントローラによって制御される。

図示された実施例のプロセッサプラットフォーム１６００はまた、インターフェース回路１６２０を含む。インターフェース回路１６２０は、イーサネットインターフェース、ユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）、及び／又はＰＣＩエクスプレスインターフェースなどの、任意のタイプのインターフェース標準によって実装され得る。

図示された実施例において、１以上の入力装置１６２２が、インターフェース回路１６２０に接続される。入力装置１６２２は、ユーザがプロセッサ１６１２にデータ及びコマンドを入力することを可能にする。入力装置は、例えば、音響センサ、マイクロフォン、カメラ（静止又はビデオ）、キーボード、ボタン、マウス、タッチスクリーン、トラックパッド、トラックボール、イソポイント、及び／又は音声認識システムによって実装され得る。

１以上の出力装置１６２４はまた、図示された実施例のインターフェース回路１６２０に接続される。出力装置１６２４は、例えば、表示装置（例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）、液晶ディスプレー、ブラウン管ディスプレー（ＣＲＴ）、タッチスクリーン、触知性出力装置、発光ダイオード（ＬＥＤ）、プリンター、及び／又はスピーカー）によって実装され得る。図示された実施例のインターフェース回路１６２０は、それ故、典型的には、グラフィックスドライバカード、グラフィックスドライバチップ、又はグラフィックスドライバプロセッサを含む。

図示された実施例のインターフェース回路１６２０はまた、送信機、受信機、トランシーバ、モデム、及び／又はネットワーク１６２６（例えば、イーサネット接続、デジタル加入者回線（ＤＳＬ）、電話線、同軸ケーブル、携帯電話システムなど）を介して、外部の機械（例えば、任意の種類のコンピュータ装置）とのデータの交換を容易にする、ネットワークインターフェースカードなどの通信装置を含む。

図示された実施例のプロセッサプラットフォーム１６００はまた、ソフトウェア及び／又はデータを記憶するための１以上の大容量記憶装置１６２８を含む。そのような大容量記憶装置１６２８の例は、フロッピーディスクドライブ、ハードドライブディスク、コンパクトディクスドライバ、ブルーレイディスクドライブ、ＲＡＩＤシステム、及びデジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）ドライバを含む。

図９のコード化された指示命令１６３２は、大容量記憶装置１６２８の中に、揮発性メモリ１６１４の中に、不揮発性メモリ１６１６の中に、及び／又はＰＲＯＭ、フラッシュメモリ、若しくはＥＥＰＲＯＭなどのＣＤ若しくはＤＶＤなどの取り外し可能な具体的コンピュータ可読記憶媒体に記憶され得る。

前述の内容から、上で開示された方法、装置、及び製品は、革新的な解析技術を利用して、既存のシステムの能力を超える包括的な原子時計モニタリング能力を提供する。各々の検出レベルに対して、マルチレベルの検出、及びマルチ閾値、並びにマルチ持続性の解析を利用することによって、原子時計異常は、ＧＮＳＳを搭載する衛星では以前、検出することができなかったレベルにおいて、検出されかつ補正されることができる。

特定の例示的な方法、装置、及び製品は、本明細書の中において開示されたが、本特許が包含する範囲はそれらに限定されるものではない。その反対に、本特許は、本特許のクレームの範囲内に適正に含まれる、全ての方法、装置、及び製品をカバーする。

１００ 時計モニタリングシステム
１０２ ＡＦＳ／モニタリングアセンブリ
１０４ 計測器
１０６ レベル１の検出器
１０８ 跳躍補正アキュムレーター
１１０ 推定器
１１２ レベル２の検出器
１１４ ＡＦＳ
１１６ モニタリング装置
１１８ ＡＦＳ信号
１２０ モニタリング装置信号
１２２ 測定された位相及び／又はレート差異
１２４ 解析機
１２６ 推定された位相及び／又はレート差異
１２８ （累積した）跳躍（補正）
１３０ 残留位相及び／又はレート差異
１３２ 跳躍補正
１３４ 故障のインジケータ
１３６ 補正された残留位相及び／又はレート差異
１３８ パラメータ
１４０ 故障のインジケータ
２００ 時計モニタリングシステム
２０２ ＡＦＳ／モニタリングアセンブリ
２０４ 計測器
２０６ レベル１の検出器
２０８ 跳躍補正アキュムレーター
２１０ 推定器
２１２ レベル２の検出器
２１４ ＡＦＳ
２１６ モニタリング装置
２１８ ＡＦＳ信号
２２０ 推定された位相及び／又はレート差異
２２２ 追跡されるＡＦＳ
２２４ 累積した跳躍の補正
２２６ 残留位相及び／又はレート差異
３００ 遅延ベース構成、時計モニタリングシステム
３０２ ＡＦＳ／モニタリングアセンブリ
３０４ ＡＦＳ
３０６ 遅延信号、モニタリング装置
４００ 時計ベースモニタリング構成、時計モニタリングシステム
４０２ ＡＦＳ／モニタリングアセンブリ
４０４ ＡＦＳ
４０６ 独立した時計、モニタリング装置
５００ 時計モニタリングシステム
５０２ ＡＦＳ
５０４ 位相及び／又はレート計測器
５０６ 検出器及び推定器
５０８ 独立した時計
５１０ 跳躍補正アキュムレーター
５１２ ＡＦＳ信号
５１４ 補正された追跡されるＡＦＳ信号
５１６ 累積した跳躍の補正
５１８ 残留位相及び／又はレート差異
５２０ 推定された位相及び／又はレート差異
５２２ 検出された位相及び／又はレート跳躍
６００ 時計モニタリングシステム
６０２ ＡＦＳ
６０４ ＣＸＯ
６０６ 計測器
６０８ 検出器及び推定器
６１０ 位相ロックループ
６１２ 計測器
６１４ フィルター
６１６ ＶＣＸＯ又はＮＣＯ
６１８ 位相及び／又はレート補正
６２０ 時計信号
６２２ 補正された時計信号
７００ 時計モニタリングシステム
７０２ 位相及び／又はレート補正
８００ ボーティングアーキテクチャ
８０２ 第１の時計
８０４ 第２の時計
８０６ 第３の時計
８０８ 第１の時計信号
８１０ 第２の時計信号
８１２ 第３の時計信号
８１４ 第１のフィルターベースの検出器及び補正器
８１６ 第２のフィルターベースの検出器及び補正器
８１８ 第３のフィルターベースの検出器及び補正器
８２０ ボーター及びアイソレーター
９００ 方法
９０２ ブロック
９０４ ブロック
９０６ ブロック
９０８ ブロック
９１０ ブロック
９１２ ブロック
９１４ ブロック
９１５ ブロック
９１６ ブロック
９１８ ブロック
９２０ ブロック
９２２ ブロック
９２４ ブロック
１４０２ 閾値
１６００ プロセッサプラットフォーム
１６１２ プロセッサ
１６１３ 局所的なメモリ
１６１４ ランダムアクセスメモリ
１６１６ リードオンリーメモリ
１６１８ バス
１６２０ インターフェース回路
１６２２ 入力装置
１６２４ 出力装置
１６２６ ネットワーク
１６２８ 大容量記憶装置
１６３２ コード化された指示命令

Claims (15)

1. 原子周波数標準（ＡＦＳ）の信号とモニタリング装置の信号との間の測定された差異を確立すること；
   前記ＡＦＳの信号と前記モニタリング装置の信号との間の推定された差異モデルをモデル化すること；
   前記測定された差異及び前記推定された差異モデルに基づいて、残留信号を計算すること；
   第１の検出器によって、複数の閾値における前記残留信号を解析することであって、前記閾値の各々は、前記ＡＦＳの信号の位相跳躍、周波数跳躍、又は周波数時間微分値エラーのうちの１以上が検出される前に閾値が超えられた回数を確定する、対応する持続性を有しており、当該持続性により確定された回数だけ前記閾値を超えた場合に前記位相跳躍、前記周波数跳躍、又は前記周波数時間微分値エラーのうちの１つ以上が検出される、解析すること；及び
   第２の検出器によって、複数の閾値における前記推定された差異モデルのパラメータを解析することであって、前記閾値の各々は、ドリフトが検出される前にドリフト閾値が超えられた回数を確定する、対応する持続性を有しており、当該持続性により確定された回数だけ前記ドリフト閾値を超えた場合に前記ドリフトが検出される、解析することを含む、方法。
2. ボーティングアーキテクチャによって、跳躍のソース又はドリフトのソースを決定することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記パラメータは周波数バイアスである、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記モニタリング装置は独立した時計である、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 独立した時計は、電圧制御された発振器又は数値制御された発振器である、請求項４に記載の方法。
6. 前記独立した時計は、水晶発振器及び電圧制御された発振器又は数値制御された発振器である、請求項４に記載の方法。
7. 前記独立した時計は、水晶発振器である、請求項４に記載の方法。
8. 前記モニタリング装置は、前記ＡＦＳの遅延時計信号を利用する、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記遅延時計信号は、発振器ベースの遅延メカニズムを使用して生成される、請求項８に記載の方法。
10. 前記遅延時計信号は、遅延線を使用して生成される、請求項８に記載の方法。
11. 原子周波数標準（ＡＦＳ）の信号とモニタリング装置の信号との間の差異を測定する計測器；
    前記ＡＦＳの信号と前記モニタリング装置の信号との間の推定された差異をモデル化する推定器；
    前記測定された差異及び前記推定された差異に基づいて残留信号を計算する解析機；
    複数の閾値における前記残留信号を解析する第１の検出器であって、前記閾値の各々は、前記ＡＦＳの信号の位相跳躍、周波数跳躍、又は周波数時間微分値エラーのうちの１以上が検出される前に閾値が超えられた回数を確定する、対応する持続性を有しており、当該持続性により確定された回数だけ前記閾値を超えた場合に前記位相跳躍、前記周波数跳躍、又は前記周波数時間微分値エラーのうちの１つ以上が検出される、第１の検出器；及び
    複数の閾値における前記推定された差異のパラメータを解析する第２の検出器であって、前記閾値の各々はドリフトが検出される前にドリフト閾値が超えられた回数を確定する、対応する持続性を有しており、当該持続性により確定された回数だけ前記ドリフト閾値を超えた場合に前記ドリフトが検出される、第２の検出器を備える、装置。
12. 前記跳躍のソース又は前記ドリフトのソースを決定するためのボーティングアーキテクチャをさらに備える、請求項１１に記載の装置。
13. 前記パラメータは周波数バイアスである、請求項１１又は１２に記載の装置。
14. 前記モニタリング装置は独立した時計である、請求項１１から１３のいずれか一項に記載の装置。
15. 前記モニタリング装置は、前記ＡＦＳの遅延時計信号を利用する、請求項１１から１４のいずれか一項に記載の装置。
    

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